Компьютерные технологии исследования процессов газонефтеводопроявлений и обучения персонала по противофонтанной безопасности

Работа посвящена созданию современной компьютерной технологии изучения и исследования процессов газонефтеводопроявлений (ГНВП) при бурении и капитальном ремонте скважин и обучения персонала буровых предприятий противофонтанной безопасности.

Актуальность работы.

ГНВП — неуправляемое поступление пластового флюида в нефтяную или газовую скважину, создающее опасность выброса бурового раствора и открытого фонтанирования.

Убытки от одного фонтана, по зарубежным данным, составляют от 1 до 45 млн. долларов. При выполнении буровых работ на шельфе материальный и экологический ущерб от фонтанов становится на порядок выше. Объем этих работ в России с каждым годом возрастает.

С целью предупреждения возникновения ГНВП и перерастания их в открытые фонтаны органами федерального горного и промышленного надзора России (Госгортехнадзора России) разработаны и утверждены правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности. Эти правила предусматривают обязательную регулярную переподготовку персонала буровых предприятий с выдачей удостоверения на право ведения буровых работ.

Анализ аварийности по данным Госгортехнадзора России (таблица № 1).

Таблица № 11.

Аварийность 8 мес. 1997 г. 8 мес. 1998 г. 8 мес. 1999 г. %от общего числа в 1999 г. +/-к 1998 г. 8 мес. 1999 г. к 8 мес. 1998 г. (%).

1 Всего, в том числе 12/20 9/13 11 100 +2 122.

2 Нефтедобыча 9 5 10 91 +5 В 2 раза.

3 Газодобыча 1 3 1 9 -2.

4 Геологоразведка 3 1 — - -1 показывает резкий рост аварийности и травматизма в нефтегазовом комплексе.

1 Таблицы 1−3 взяты из протокола совещания-учебы руководящих работников Госгортехнадзора России, г. Кисловодск, 13−17 сентября 1999 года. 7 ходом — 19, за тот же период 1998 года — 15 (см. таблицу № 3). Как видно из таблицы № 3 самое серьезное положение со смертельным травматизмом остается в нефтедобывающей отрасли. Отмечено увеличение случаев группового травмирования работников. С начала 1999 года таких случаев произошло 5.

Таблица № 2.

Виды аварий за I полугодие 1997;1999 г. г. 1997 г. 1998 г. 8 мес. 1999 г. % от общего числа.

1 Открытые газонефтяные фонтаны и выбросы 6 2 4 36.

2 Взрывы и пожары на объектах 6 5 4 36.

3 Падение буровых эксплуатационных вышек, разрушение их частей. 3 2 1 10.

4 Падение талевых систем 3 1.

5 Прочие 2 3 2 18.

Всего 20 13 11 100.

Таблица № 3.

Несчастные случаи со смертельным исходом 8 мес. 1997 г. 8 мес. 1998 г. 8 мес. 1999 г. % от общего числа в 1999 г. +/-к 1998 г. 1 пол. 1998 г. к 1 пол. 1997 г. (%).

1 Всего, в том числе 22/35 15/25 19 100 +4.

2 Нефтедобыча 16 11 17 90 +6 155.

3 Газодобыча 0 1 1 5 ;

4 Геологоразведка 6 3 1 5 -2 33.

Анализ материалов расследования случаев аварийности и смертельного травматизма позволяет сделать выводы, что основными причинами аварий являются.

•низкая производственная, технологическая и трудовая дисциплина на предприятиях нефтегазового комплекса;

•недостаточный внутренний контроль за состоянием технической и технологической безопасности производственных объектов, несоблюдение норм охраны труда и недостаточный уровень управления безопасностью в нефтяных компаниях;

•постоянные нарушения действующих норм и правил по безопасному ве8 дению работ;

•принятие неверных решений исполнителями работ и систематические нарушения установленных стандартов, норм и правил в нефтяной и газовой промышленности;

•неудовлетворительное состояние основных производственных фондов и недостаточные инвестиции на их обновление.

Несчастные случаи со смертельным исходом в нефтегазовом комплексе и геологоразведке.

8 мес.1997г. 8 мес.1998г. 8 мес.1999г.

Рис. 3. Диаграмма травматизма за 8 месяцев 1997;1999 годов Официальные расследования обстоятельств, при которых произошли открытые выбросы и фонтаны, свидетельствуют о том, что основными причинами их возникновения являются ошибки персонала, связанные с недостаточной подготовленностью. Позднее обнаружение ГНВП и неправильные действия персонала в экстремальной ситуации иногда компенсируют использованием автономных технических средств раннего обнаружения ГНВП с автоматическим выполнением первоочередных действий [19, 49]. Однако использование достаточно дорогостоящего оборудования подобных систем не устраняет проблему недостаточной подготовленности персонала, связанной с плохим пониманием процессов ГНВП и отсутствием современных компьютерных технологий обучения.

Поэтому возникла потребность в привлечении современных компьютерных технологий, которые позволяли бы изучать и исследовать процессы ГНВП в скважине с целью выработки практических рекомендаций, создания новых нормативных документов для различных регионов и одновременно могли бы 9 использоваться для подготовки и аттестации персонала по предупреждению и ликвидации ГНВП. Разработанные на базе математических моделей компьютерный комплекс обучающих, контролирующих программ (компьютерный учебник) и сетевой компьютерный тренажер являются относительно дешевыми современными техническими средствами, которые можно использовать как для исследования процессов глушения ГНВП, так и для обучения. Это программное обеспечение может быть установлено везде, где есть компьютеры — в учебных центрах и непосредственно на буровых предприятиях, что позволяет существенно снизить затраты предприятий на подготовку и переподготовку персонала, повысить качество обучения, проводить плановые тренировки по управлению скважиной перед вскрытием продуктивного горизонта непосредственно на буровой. Тренировка практических навыков в течение цикла обучения на сетевом компьютерном тренажере позволяет каждому обучающемуся многократно отрабатывать весь цикл глушения скважины в штатных и нештатных режимах.

Очень трудно сделать объективное сравнение традиционных методов обучения с использованием современных обучающих интерактивных программ на базе мультимедийных средств, однако, можно с уверенностью сказать, что во время работы внимание обучаемого, как правило, удваивается, поэтому освобождается дополнительное время. По данным разных источников [25, 54] экономия времени составляет примерно 30%, а распределение качества усвоения учебного материала приблизительно следующее: человек запоминает 10% того, что слышит, 30−50% того, что видит, и 90% того, что делает сам.

Цель работы.

Разработка современных компьютерных технологий, предназначенных.

• для повышения уровня производственной, экологической безопасности, снижения риска открытых фонтанов и человеческих жертв при бурении скважин за счет улучшения качества нормативной и проектной документации;

• для повышения уровня подготовки персонала по противофонтанной безопасности.

Предлагаемая компьютерная технология включает:

• комплекс математических моделей, описывающий основные явления.

10 при ГНВП;

• комплекс обучающих, контролирующих программ (компьютерный учебник) для повышения уровня теоретической подготовки персонала при распознавании и ликвидации ГНВП;

• сетевой компьютерный тренажер на основе комплекса математических моделей для отработки коллективных практических навыков и умений персонала по управлению скважиной при распознавании и ликвидации ГНВП;

• единую методику изучения теоретических основ возникновения и ликвидации ГНВП и отработки практических навыков распознавания и глушения ГНВП на тренажере.

Научная новизна.

1. Создан новый комплекс программ сетевого компьютерного тренажера, который можно использовать как для исследования процессов ГНВП при бурении скважины, так и для подготовки персонала нефтегазовых предприятий по противофонтанной безопасности.

2. Впервые разработан компьютерный учебник по противофонтанной безопасности с развитыми диалоговыми средствами обучения и контроля знаний.

3. Предложены математические модели движения пачек газа в кольцевом пространстве (КП) скважины с учетом влияния степени открытия дросселя на скорость верхней границы каждой пачки. Модели позволяют охватить весь диапазон управляющих параметров, что необходимо в процессе исследования технологических режимов.

4. Разработана объектно-ориентированная технология создания сценариев обучающих, контролирующих программ на этапе выполнения, включающая структуру учебно-методического материала, объекты скважины и оборудования, процессы и их визуализация, механизмы, обеспечивающие связь исходных данных с объектами и процессами.

5. Предложена технология автоматизации проектирования сценария сетевого компьютерного тренажера, включающая структуру исходных данных, объекты оборудования, процессы в скважине, их параметры, ограничения, ус.

11 ловия перехода от одних процессов к другим, формальные правила их описания.

Практическая ценность работы:

1. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить исследование процессов, связанных с ГНВП, с целью выработки практических рекомендаций по глушению скважины. По результатам моделирования предложена практическая рекомендация для инструкции по управлению скважиной с использованием объемного метода. Рекомендация передана в Астраханскую военизированную часть.

2. Компьютерный учебник позволяет изучать процессы, связанные с ГНВП, исследовать режимы управления отдельными процессами, что повышает качество подготовки специалистов. Учебник легко встраивается в лекционные и практические занятия, может использоваться для самообучения и самоконтроля на предприятии, что существенно сокращает расходы на обучение и повышает его качество. Развитые интерактивные и мультимедийные средства, построение графиков параметров физических процессов параллельно с их описанием и отображением на экране, решение множества частных задач улучшают восприятие учебного материала.

3. Унификация структуры исходных данных, объектов и процессов позволяет модифицировать сценарии программ без дополнительного программирования и функционировать разработанным комплексам на любом разговорном языке сразу после перевода исходных данных.

4. Компьютерный учебник и сетевой компьютерный тренажер позволяют проводить как обучение персонала противофонтанной безопасности, так и исследование динамики процессов в скважине при глушении ГНВП. Оба комплекса в течение 4-х лет используются для подготовки персонала в учебном центре «Досанг» Астраханской военизированной части, работают в Оренбургской и Северной военизированных частях ООО «Газобезопасность» (Приложение 3), в учебных центрах «Тюменбургаз» и «Самаранефтегаз». На предприятии «Вьетсовпетро» (г. Вунг Tay, Вьетнам) комплексы работают на русском и вьетнамском языках.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах:

• III Всероссийская научно-техническая конференция «Тренажеры и компьютеризация профессиональной подготовки» (Москва, 1993) ;

• IV Всероссийская научно-методическая конференция «Тренажеры и компьютеризация профессиональной подготовки» (Москва, 1994) [27];

• International Conference of Engineering Education. (Москва, 1995) [68];

• Всероссийская научная конференция «Фундаментальные проблемы нефти и газа», (Москва, 1996) [35];

• выставка — конференция «КомпьюМаркетинг'96» (Москва, 1996) [33];

• конференции «Рынок труда и кадровая политика» (Москва, 1999) [34];

• III Всероссийская конференция «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998) [28];

• IV Всероссийская конференция «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999) [32];

• семинар «Диагностика и средства автоматизации Минатома для нефтегазового комплекса» (Обнинск, 1999) [36];

• 3-я научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1999) [29].

В 1998 году работа, как составная часть системы подготовки кадров по противофонтанной безопасности, была отмечена третьей премией в ежегодном авторском конкурсе по новым информационным технологиям обучения и их техническому обеспечению, проводимом в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Комплексы обучающих, контролирующих программ и сетевой компьютерный тренажер демонстрировались на выставках:

•" Нефть иГаз'98″ (Москва, 1998);

•" Газ, Нефть'99″ (Уфа, 1999);

•" Технологии безопасности" (Москва, 2000) на отраслевых совещаниях и семинарах.

Публикации.

По результатам работы опубликовано 13 печатных трудов.

Структура и объем работы:

Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста (основной текст изложен на 134 страницах), имеет 54 рисунка, 7 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка сокращений, литературы из 71 наименования и трех приложений.

Выводы и заключения.

Анализ существующих математических моделей процессов бурения, возникновения, развития й ликвидации ГНВП, разработка моделей движения одной и более газовых пачек в скважине позволяют предложить полный комплекс моделей для создания современных компьютерных средств обучения, тренировки и исследования динамических процессов в скважине.

1. Разработаны новые технические средства, кот обучения, тренировки и исследования динамических процессов в скважине при бурении и капитальном ремонте, возникновении и ликвидации ГНВП с целью повышения качества подготовки персонала буровых предприятий и совершенствования нормативных документов по глушению ГНВП.

2. Подготовлен комплекс математических моделей, позволяющий имитировать процессы в нефтяной или газовой скважине во время бурения, возникновения и ликвидации ГНВП, истечения газа через регулируемый дроссель.

3. Впервые предложены модели движения в КП скважины двух и более пачек газа при наличии циркуляции промывочной жидкости.

4. Разработана объектно-ориентированная технология проектирования и реализации сценариев обучающих, контролирующих программ и сетевого компьютерного тренажера на этапе выполнения программ.

5. Впервые разработан компьютерный учебник по противофонтанной безопасности.

6. Разработан программный комплекс сетевого компьютерного тренажера, который позволяет позволяют исследовать различные режимы глушения скважин и обучать персонал непосредственно на буровых предприятиях (например, перед вскрытием продуктивного пласта).

Список сокращений АВПД — аномально высокое пластовое давление. АКБ — автоматический ключ буровой. АНПД — аномально низкое пластовое давление. БД — блок дросселирования. БК — бурильная колонна. ГНВП — газонефтевОдопроявление.

Госгортехнадзор России — федеральный горный и промышленный надзор

России. ГП — Главный пульт. ГУ — гидроуправляемый. ИТР — инженерно-технические работники. КП — кольцевое пространство. КШЦ — кран шаровой. ПБ — пульт бурильщика ПВО — противовыбросовое оборудование. ПУ — пульт управления. ПУП — пульт управления превенторами. РИТС — районная инженерно-технологическая служба. СПО — спуско — подъемные операции. ЦИТС — центральная инженерно-технологическая служба. BMP — универсальный графический формат, не предусматривающий сжатие изображения.

GIF — популярный графический формат, предусматривающий сжатие изображения.

WAV — основной формат для хранения звуковых файлов.